package com.gdhengdian.tree_linkedList;

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.Stack;

/**
 * @author HD-0078 杨炜耀
 * @date 2021-4-6 16:26
 * 二分搜索树
 */
public class BinarySearchTree<E extends Comparable<E>> {

    /**
     * 根节点
     */
    private Node root;

    /**
     * 表示树里存储的元素个数
     */
    private int size;


    private class Node{
        E e;
        Node left;
        Node right;

        public Node(){
            this(null, null, null);
        }

        public Node(E e){
            this(e, null, null);
        }

        public Node(E e, Node left, Node right) {
            this.e = e;
            this.left = left;
            this.right = right;
        }
    }

    /**
     * 获取树里的个数
     * @return 元素个数
     */
    public int size(){
        return size;
    }

    /**
     * 树是否为空
     * @return 为空返回true，否则返回false
     */
    public boolean isEmpty(){
        return size == 0;
    }

    /**
     * 向二分搜索树中添加一个元素
     * @param e
     */
    public void add(E e){
        if(root == null){
            root = new Node(e);
            size++;
        }else {
            add(root, e);
        }
    }

    /**
     * 向以node为根的二分搜索树中插入元素e，递归实现
     * @param node 根节点
     * @param e 新元素
     * @return 返回插入新节点后二分搜索树的根节点
     */
    private Node add(Node node, E e) {

        if(node == null){
            size++;
            return new Node(e);
        }

        if(e.compareTo(node.e) < 0){
            node.left = add(root.left, e);
        }else if(e.compareTo(node.e) > 0){
            node.right = add(node.right, e);
        }
        return node;
    }

    /**
     * 查看二分搜索树中是否包含元素e
     */
    public boolean contains(E e) {
        return contains(root, e);
    }

    /**
     * 查看以node为根节点的二分搜索树中是否包含元素e，递归实现
     */
    public boolean contains(Node node, E e){
        if(node == null){
            return false;
        }

        if(e.compareTo(node.e) == 0){
            return true;
        }else if(e.compareTo(node.e) < 0){
            // 找左子树
            return contains(node.left, e);
        }else {
            // 找右子树
            return contains(node.right, e);
        }
    }

    /**
     * 二分搜索树的前序遍历
     */
    public void preOrder(){
        preOrder(root);
    }

    /**
     * 前序遍历以node为根的二分搜索树，递归实现
     * @param node 根节点
     */
    public void preOrder(Node node){
        if(node != null){
            // 先遍历根节点
            System.out.println(node.e);
            // 然后遍历左子树和右子树
            preOrder(node.left);
            preOrder(node.right);
        }
    }

    /**
     * 二分搜索树的中序遍历
     */
    public void inOrder(){
        inOrder(root);
    }

    /**
     * 中序遍历以node为根的二分搜索树，递归实现
     * @param node 根节点
     */
    public void inOrder(Node node){
        if(node != null){
            // 先遍历左子树
            inOrder(node.left);
            // 然后遍历根节点
            System.out.println(node.e);
            // 最后遍历右子树
            inOrder(node.right);
        }
    }

    /**
     * 二分搜索树的后序遍历
     */
    public void postOrder(){
        postOrder(root);
    }

    /**
     * 后序遍历以node为根的二分搜索树，递归实现
     * @param node 根节点
     */
    public void postOrder(Node node){
        if(node != null){
            // 先遍历左子树
            inOrder(node.left);
            // 然后遍历右子树
            inOrder(node.right);
            // 最后遍历根节点
            System.out.println(node.e);
        }
    }

    /**
     * 二分搜索树的非递归前序遍历实现
     */
    public void preOrderNR(){
        // 使用 java.util.Stack 来模拟系统栈
        Stack<Node> stack = new Stack<>();
        // 前序遍历所以先将根节点压入栈
        stack.push(root);
        while (!stack.isEmpty()){
            // 将当前要访问的节点出栈
            Node currentNode = stack.pop();
            System.out.println(currentNode.e);

            if(currentNode.right != null){
                // 由于栈属于后进先出，所以先将右子树先入栈
                stack.push(currentNode.right);
            }

            if(currentNode.left != null){
                stack.push(currentNode.left);
            }
        }
    }

    /**
     * 二分搜索树的层序遍历
     */
    public void levelOrder(){
        Queue<Node> queue = new LinkedList<>();
        // 根节点入队
        queue.add(root);
        while (!queue.isEmpty()){
            // 将当前要访问的节点出队
            Node currentNode = queue.remove();
            System.out.println(currentNode.e);

            // 左右节点入队（先进先出）
            if(currentNode.left != null){
                queue.add(currentNode.left);
            }

            if(currentNode.right != null){
                queue.add(currentNode.right);
            }
        }
    }

    /**
     * 获取二分搜索树的最小元素
     * @return 最小元素
     */
    public E minimum(){
        if(isEmpty()){
            throw new IllegalArgumentException("BinarySearchTree is empty!");
        }
        return minimum(root).e;
    }

    /**
     * @param node 根节点
     * @return 以node为根的二分搜索树的最小元素所在节点
     */
    private Node minimum(Node node){
        if(node.left == null){
            return node;
        }
        return minimum(node.left);
    }

    /**
     * 获取二分搜索树的最大元素
     * @return 最大元素
     */
    public E maximum(){
        if(isEmpty()){
            throw new IllegalArgumentException("BinarySearchTree is empty!");
        }
        return maximum(root).e;
    }

    /**
     * @param node 根节点
     * @return 以node为根的二分搜索树的最大元素所在节点
     */
    private Node maximum(Node node){
        if(node.right == null){
            return node;
        }
        return maximum(node.right);
    }

    /**
     * 删除二分搜索树最大元素所在节点
     * @return 被删除的元素
     */
    public E removeMax(){
        E maximum = maximum();
        root = removeMax(root);
        return maximum;
    }

    /**
     * 删除以node为根的二分搜索树中的最大节点
     * @param node 根节点
     * @return 删除节点后新的二分搜索树的根
     */
    private Node removeMax(Node node){
        if(node.right == null){
            // 如果有左子树，需要将其挂到被删除的节点上
            Node leftNode = node.left;
            node.left = null;
            size--;
            return leftNode;
        }
        node.right = removeMax(node.right);
        return node;
    }

    /**
     * 删除二分搜索树最小元素所在节点
     * @return 被删除的元素
     */
    public E removeMin(){
        E minimum = minimum();
        root = removeMin(root);
        return minimum;
    }

    /**
     * 删除以node为根的二分搜索树中的最小节点
     * @param node 根节点
     * @return 删除节点后新的二分搜索树的根
     */
    private Node removeMin(Node node){
        if(node.left == null){
            // 如果有右子树，需要将其挂到被删除的节点上
            Node rightNode = node.right;
            node.right = null;
            size--;
            return rightNode;
        }
        node.left = removeMin(node.left);
        return node;
    }

    /**
     * 从二分搜索树中删除元素为e的节点
     * @param e 被删除的元素
     */
    public void remove(E e){
        root = remove(root, e);
    }

    /**
     * 删除以node为根的二分搜索树中值为e的节点，递归实现
     * @param node 根节点
     * @param e 被删除的元素
     * @return 删除节点后新的二分搜索树的根
     */
    private Node remove(Node node, E e){
        if(node == null){
            return null;
        }

        if(e.compareTo(node.e) < 0){
            // 要删除的节点在左子树中
            node.left = remove(node.left, e);
            return node;
        }else if(e.compareTo(node.e) > 0){
            node.right = remove(node.right, e);
            return node;
        }

        // 待删除的节点左子树为空的情况
        if(node.left == null){
            // 如果有右子树，需要将其挂到被删除的节点上
            Node rightNode = node.right;
            node.right = null;
            size--;
            return rightNode;
        }

        // 待删除的节点右子树为空的情况
        if(node.right == null){
            // 如果有左子树，需要将其挂到被删除的节点上
            Node leftNode = node.left;
            node.left = null;
            size--;
            return leftNode;
        }

        // 待删除的节点左右子树均不为空的情况
        // 找到比待删除节点大的最小节点，即待删除节点右子树的最小节点
        Node successor = minimum(node.right);
        // 用这个节点替换待删除节点的位置
        // 由于removeMin里已经维护过一次size了，所以这里就不需要维护一次了
        successor.right = removeMin(node.right);
        successor.left = node.left;
        return successor;
    }

}
